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加速器种类

  粒子加速器是一种用人工方法加速带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将正负电子、质子、轻重离子等带电粒子加速到一定的能量。加速器在原子物理、核物理、基本粒子的基础研究,工农业生产、医疗卫生以及国防建设等方面都有着广泛而重要的应用。它除了涉及原子物理、核物理等基础研究领域外,还涉及固体物理、材料科学、分子生物学、化学以及地质、考古等众多学科领域的基础研究和应用研究。目前全世界已有几千台各类加速器在运行。

  加速器的种类繁多,不同类型的加速器有着不同的结构和性能特点,还有着不同的应用范围。

1、按粒子的能量分类

  按加速粒子的能量划分加速器可分为低能、中能、高能加速器。低能加速器常指能量低于100MeV(1MeV=1×106eV)的加速器,能量大于1000MeV或写成1GeV(1GeV=1×109eV)的加速器称为高能加速器,两者之间称为中能加速器。

  在我国,建在中科院高能物理所的北京正负电子对撞机(BEPC),能量为2.8GeV,属高能加速器。建在中科院兰州近代物理所的直径7.2米分离扇型重离子加速器(HIRFL)和建在合肥科技大学的800MeV同步辐射光源(HESYRL)均属中能加速器。广泛应用在工业、农业、医疗卫生等领域内的加速器绝大部分属于低能加速器的范畴。

  而在低能加速器的范畴内,在不同的应用领域,人们习惯上又分为高、中、低能加速器。加速器应用领域不同,划分能量的区域也不同。例如,对医用加速器来说,能量低于10MeV称为低能医用加速器,高于16MeV的称为高能医用加速器,两者之间称为中能医用加速器。对于辐照加速器而言,能量低于0.3MeV称为低能加速器,0.3~5MeV称为中能加速器,5~15MeV称为高能加速器。这种划分和称呼,不同文献、不同作者会有不同,请读者根据实际情况注意区别。

  加速器加速的基本粒子的能量单位是电子伏特(eV),1eV是指一个电子或带有1个单位电荷的粒子通过电势差为1伏的电场所得到的能量:

        1eV=1.6×10-19J=1.6×10-12erg。  焦耳(J)、尔格(erg)是能量单位。

2、按被加速的粒子种类分类

  按加速粒子的种类划分加速器可分为电子加速器、质子加速器(H1+)、重离子加速器(Anm+)和微粒子团加速器。

3、按加速原理、加速器结构种类

  按粒子的加速原理、加速器结构划分加速器可分为直流高压型、电磁感应型、直线共振型和回旋共振型加速器。

  高压型加速器用直流高压电场加速带电粒子,它包括静电加速器(单极和串行)、高压倍加器、高频高压(地那米)加速器、绝缘芯变压器型、电子帘型加速器等。

     电磁感应型加速器用交变磁场所感生的涡旋电场加速粒子,包括常见的电子感应加速器和近年来发展的直线感应加速器。中国工程物理研究院已研制成功10MeV直线感应加速器。现正研制20MeV直线感应加速器,脉冲流强达2~3kA,这种加速器主要用来模拟核爆炸。

     直线共振型加速器利用微波或高频电场加速沿直线轨道运动的粒子,包括电子和离子。集装箱检查用加速器就属于这种类型的加速器。加速电子的微波频率为3000MHz ~9000MHz,加速质子的微波频率为200MHz,加速重离子的微波频率则在70MHz以下。已建成的直线加速器中加速电子的最高能量达50GeV,质子达800MeV。电子直线加速器是目前世界上数量最多的加速器。

     回旋共振型加速器利用高频电场加速粒子,利用导向磁场使带电粒子回旋运动。这类加速器有普通的回旋加速器、等时性回旋加速器、稳相加速器、同步加速器等。加速的粒子有电子、质子、氘核及α粒子。在质子同步加速器基础上发展起来的贮存环和对撞机,其能量可达2~40TeV(1TeV=1×1012eV),环的周长长达几公里,加速质子的最高能量居各类加速器能量之首。但电子同步加速器由于同步辐射损失的限制,其能量不高于8GeV。而电子直线加速器由于电子的加速轨迹是直线,没有同步辐射损失,加速管可长达几十公里,能量高达50GeV。

4、按应用领域分类

     大家习惯称呼的辐照加速器、探伤加速器、医用加速器、离子注入机等是按照加速器的用途分类,这些加速器都属于低能加速器的范畴,并不反映它本身的结构与性能特点。

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